CN108957910B - 一种用于检查物体的表面的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检查物体的表面的装置具有第一光源，该第一光源用于照射物体而不在物体上产生图案化图像。第二光源将由来自第二光源的第一偏振光产生的图案化图像投影到物体上，其中第一偏振光是在第一偏振方向上偏振的。第三光源将由来自第三光源的第二偏振光产生的图案化图像投影到物体上，其中第二偏振光是在不同于第一偏振方向的第二偏振方向上偏振的。当物体分别由第一、第二和第三光源照射时，成像设备观察物体的表面以便确定物体的表面的轮廓。

Description

一种用于检查物体的表面的装置及方法

技术领域

本发明涉及三维表面检查和重构，特别是用于检查电子设备的表面。

背景技术

图案投影通常用于三维(“3D”)表面重构中，用于半导体行业中电子设备的各种测量和检查。这种方法和技术通常需要至少3个处于不同相位的图像来计算深度或高度信息。传统方法可通过使用微显示技术(例如数字微镜器件(DMD)或硅基液晶(LCOS)器件)产生具有不同相位的图像。它们也可以通过物理移动光栅或通过改变投影仪和被检查物体之间的相对位置来产生图像。

例如，名称为“用于重构目标表面的三维轮廓的装置和方法”的美国专利公开号2016/0014315A1描述了一种用于重构物体的目标表面的3D轮廓的装置。该装置产生两个图像，其中一个使用光栅或光罩(reticle)在目标表面上产生图案。一条光路直接穿过光栅或从光栅反射，另一条光路照射目标表面的每个部分，因为其光路不包括这样的光栅或光罩。利用这种设计，可以控制光栅的倾斜，使得照明的焦平面可以与被检查物体对准。

然而，该系统仅能够产生两组图像。而且，为了检索与测量的目标表面上的点的高度有关的信息，需要关于条纹调制或表面平坦度的假设。由于存在目标表面上的条纹调制可能从点到点发生变化的情况，例如物体包含不同材料的情况，重构的精度将受到不利影响。另一方面，如果可测量表面相对于表面平坦度受到约束，则目标表面上的小高度变化的轮廓不能被重构。

在另一个例子中，名称为“用于同时投影用于物体的三维检测的多个相移图案的系统”的美国专利号7,079,666描述了一种3D图像采集器(image grabber)，其允许将多个相移图案同时投影到物体上，并且同时获取这些相移图案的多个图像。图像获取组件对不同的单色光敏感，用于同时采集由多个相移图案照射的入射图像。因此不同的颜色图案被同时投影到物体上，并且不同的颜色被图像获取组件获取为不同的图像。这样的相移图案可以由光谱分离器产生。

产生具有不同照明色的不同相移图案的缺点在于，当被检查物体具有不均匀的色谱分布时，来自物体的反射强度将随着不同的照明色而变化。换句话说，在用不同相位的光照射的图像中，成像强度会不一致。对于具有不均匀色谱分布的物体，这会固有地产生不精确的高度识别(findings)。

发明内容

因此，本发明的目的是寻求提供一种用于3D检查的装置，其克服了上述的一些缺点，并且能够提供比传统方法更可靠的装置。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种用于检查物体的表面的装置，所述装置包括：第一光源，用于照射物体而不在物体上产生图案化图像；第二光源，用于将由来自第二光源的第一偏振光产生的图案化图像投影到物体上，第一偏振光是在第一偏振方向上偏振的；第三光源，用于将由来自第三光源的第二偏振光产生的图案化图像投影到物体上，第二偏振光是在不同于第一偏振方向的第二偏振方向上偏振的；以及成像设备，用于当物体分别被第一光源、第二光源和第三光源照射时，拍摄物体的表面的图像，以便确定物体的表面的轮廓。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种用于检查物体的表面的方法，包括以下步骤：用第一光源照射物体而不在物体上产生图案化图像；将由来自第二光源的第一偏振光产生的图案化图像投影到物体上，第一偏振光是在第一偏振方向上偏振的；将由来自第三光源的第二偏振光产生的图案化图像投影到物体上，第二偏振方向是在不同于第一偏振方向第二偏振方向上偏振的；以及当物体分别被第一光源、第二光源和第三光源照射时拍摄物体的表面的图像，以便确定物体的表面的轮廓。

在下文中通过参考示出本发明的特定优选实施例的附图来更详细地描述本发明将是方便的。附图和相关描述的特殊性不应被理解为取代由权利要求所限定的本发明的广泛识别的一般性。

附图说明

现在将参考附图描述根据本发明的检查装置的例子，如下图所示。

图1是根据本发明的第一优选实施例的用于将多个图案投影到物体的表面上的检查装置的示意图。

图2是图1的检查装置的示意图，其示出了关于检查装置的第一光源的第一光路。

图3是图1的检查装置的示意图，其示出了关于检查装置的第二光源的第二光路。

图4是图1的检查装置的示意图，其示出了关于检查装置的第三光源的第三光路。

图5A至图5D示出了当其光线通过双折射板时来自不同偏振光源的不同折射效应。

图6A至图6C示出了由根据本发明的第二优选实施例的检查装置的另一构造产生的光路及其对应的偏振。

图7A至图7C是由根据本发明的优选实施例的检查装置产生的示例性图像。

图8A和图8B示出了从由图7A至图7C获得的图像重构的3D轮廓。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一优选实施例的检查装置10的示意图，检查装置10用于将多个图案投影到物体12的表面上以检查物体12的表面。检查装置10包括第一光源14、第二光源16和第三光源18。也可以是偏振棱镜形式的偏振分束器20被定位成接收来自第二光源16和第三光源18的光线。

来自第二光源16和第三光源18的光线通过光栅22和位于光栅22之后的双折射板24，使得双折射板24位于物体12和光栅22之间。光栅22可以包括正弦图案以在物体12的表面上形成条纹图案。第二分束器26(其也可以是棱镜的形式)被定位成接收通过光栅22和双折射板24的光线以及直接从第一光源14接收的光线。双折射板24可以包括例如方解石和铌酸锂晶体。也可以使用本领域已知的具有双折射性质的其他材料。从第二分束器26透射的光线通过四分之一波片28，然后由成像透镜30成像到物体12的表面上。成像设备32(例如CCD照相机)被用于当其分别由第一光源14、第二光源16和第三光源18照射时拍摄物体12的表面的图像。基于拍摄的图像，可以如下面进一步详细描述的那样确定物体12的表面的轮廓。

图2是图1的检查装置10的示意图，其示出了关于检查装置10的第一光源14的第一光路40。来自第一光源14的光不通过光栅22并且在整个第一光路40中未被偏振。它用于直接照射物体12的表面，而不投射条纹图案且没有在物体上产生图案化图像。

图3是图1的检查装置10的示意图，其示出了关于检查装置10的第二光源16的第二光路42。来自第二光源16的光线被偏振分束器20反射，以产生在第一偏振方向上偏振的第一偏振光。第一偏振光可以是s波形式(其是横向于光线传播的方向偏振的)。s波通过光栅22，还通过双折射板24。因此，光栅22的图像被生成并且被成像透镜30投影到物体12的表面上。特别地，四分之一波板28用于将s波的线偏振改变为圆偏振以模拟非偏振照明。当物体12的表面包括具有固有偏振特性的材料时，这是有用的。

图4是图1的检查装置10的示意图，其示出了关于检查装置10的第三光源18的第三光路44。除了产生在第二偏振方向上偏振的第二偏振光以外，第三光源18与第二光源16大部分相似。第二偏振光可以是在来自第三光源18的光线通过偏振分束器20之后在光栅22之前产生的p波(其相对于光线的方向纵向偏振)的形式。因此，第二偏振方向不同于第一偏振方向，更优选地，第一偏振方向横向于第二偏振方向。在光线通过四分之一波片28之后，第三光源18还产生具有圆偏振的波，但是四分之一波片28用于使这些光线以与来自第二光源16的光线相反的方向圆偏振到物体12上。

由于诸如方解石和铌酸锂晶体之类的双折射材料的光学性质是它们的折射率取决于通过它们的光的偏振方向和传播方向，因此物体12表面上的投影图像当分别在第二光源16和第三光源18的照射下时将表现出不同程度的偏移。偏移的位移程度主要由双折射板24的构成材料的折射率、其倾斜角度和厚度决定。因此，当物体12的表面分别被第二光源16和第三光源18照射时，由光栅引起的条纹图案偏移的程度可以通过设计被预先估计。

尽管在上述实施例中一个光栅22和一个双折射板24被第二光源16和第三光源18共享，但是应该认识到，检查装置10也可以被设置成使得分开的光栅22和双折射板24用于每个相应的光源16,18。

图5A至图5D示出了当不同偏振光源16,18的光线通过双折射板24时来自不同偏振光源16,18的不同折射效应。图5A示出了其中图案直接被投影而不使光线通过双折射板24的参考图像。

在图5B中，相同的图案正在被通过双折射板24的s波照射。可以看出投影图案已经向左偏移。在图5C中，该图案正在被已经通过同一双折射板24的p波照射。可以看出，与图5B中当其被s波照射时相比，投影图案具有向左偏移得更多。图5D示出了已经通过双折射板24的s波和p波都照射的相同图案，结果来自图5B和图5C彼此叠加以进行比较。

图6A至图6C示出了由根据本发明第二优选实施例的检查装置50的另一构造产生的光路及其对应的偏振。在该实施例中，使用被特殊涂覆的分束板52代替双折射板。分束板52的最靠近偏振光源的第一侧被涂覆以引起偏振，而分束板52的与其第一侧相对的第二侧被涂覆成反射性的。

在图6A所示的上述设置中，第一光源60被设计成当其光线通过分束板52时产生p波。由于来自第一光源60的第一光路66不通过光栅54，所以在物体12的表面上没有形成条纹图案的图像。

在图6B中，来自第二光源62的光线被偏振立方体56反射，以产生沿第二光路68引导的s波。在光线通过光栅54之后，光栅的图像在被分束板52的第一侧折射之后被分束板52的第二侧反射，然后形成在物体12的表面上。

在图6C中，通过将光线透过偏振立方体56从由第三光源64产生的光线产生p波，使得光栅54的图像被分束板52的第二侧沿着第三光路70反射。因此，由光栅54引起的投影图案化图像的不同位移是通过控制被涂覆的分束板52在其第一和第二侧之间的厚度而产生的。与本发明的第一优选实施例相比，由于分别在第二光源62和第三光源64的照明下，从光栅54到物体12的光学距离将不同，所以成像设备(未示出)的数值孔径必须足够小，使得其光学景深足以覆盖第二光路68和第三光路70的聚焦水平。

在本发明的第一和第二实施例中从三个相应的照明路径获得三个图像之后，可以如下计算关于物体12的表面的高度信息：

三个获得的图像上的点x可以在数学上被表达为：

I₁＝r·L₁

I₂＝r·L₂·(1+m·cosθ)

I₃＝r·L₃·(1+m·cos(θ+△φ)) (1)

其中，

r意味着物体的表面的反射率，

L_i是与每个光源的照明强度相关的因子，

m模拟与材料性质及物体、投影和成像光学元件之间的焦点相关的条纹幅度，

θ是相位值，并且

△φ是第二光源和第三光源之间的相移。

投影仪的照明强度(即L₁，L₂和L₃)与光源的照明强度有关并且可以被预先校准。因此，式(1)可以被简化为：

I₁＝r

I₂＝r·(1+m·cosθ)

I₃＝r·(1+m·cos(θ+△φ))

＝r·(1+m·(cosθ·cos△φ–sinθ·sin△φ))

以上可以被表达为：

R＝(I₂–I₁)/I₁＝m·cosθ

R’＝(I₃–I₁)/I₁＝m·(cosθ·cos△φ–sinθ·sin△φ),

这给出：

m·cosθ＝R

m·sinθ＝R/tan△φ–R’/sin△φ (2)

相位值θ(以及因此高度h)可以从该式中获得：θ＝φ₀+ω_h·h，其中φ₀是相对于校准零点的参考相位，并且ω_h是沿垂直方向的图案的角频率。由于通过检查装置10,50的设计预先确定相移△φ，所以可以通过计算在第二光源62和第三光源64的照明下的平面上的两个成像图案之间的位移来精确地估计或校准确切的值。

图7A至图7C是由根据本发明的优选实施例的检查装置10,50产生的示例性图像。已经将条纹图案投影到引线框架衬底上包含环氧树脂滴的物体上。

图7A是由来自第一光源14,60的不通过图案化光栅22,54的光线照射的图像。图7B是由已经通过图案化光栅22,54并且包括条纹图案的来自第二光源16,62的光线照射的图像。图7C是由来自第三光源18,64的光线照射的图像，所述光线已经通过图案化光栅22,54但处于不同的相位，使得条纹图案与图7B中的图像相比已经偏移。

图8A和图8B示出了从由图7A至图7C获得的图像重构的3D轮廓。图8A是物体12的平面图，而图8B是包括其高度轮廓的等距视图。

应该认识到，本发明的优选实施例描述了产生三组图像的方法，其中一个图像仅仅是物体10的表面的照明，并且另外两个图像包括具有不同程度的偏移的结构化照明。例如，投影图案的所述偏移通过切换光源使其具有两个不同的偏振方向来实现。例如，这种偏移可能由于光线通过双折射板24或已在其两个相对侧上被不同地涂覆的分束板52而导致。

线偏振光线然后被转换成圆偏振光线，使得检查装置10,50也可应用于具有偏振特性的材料。在检查装置10,50中，所有条纹图像都由于单个光栅而导致，并且不需要在检查装置10,50内涉及任何机械运动。

上述方法的好处在于，它比仅生成两种用于检查表面的图案的方法更精确。所使用的光栅22,54也可调节以与表面的平面对准。另一个好处是检查装置10,50可以具有简单的结构并且尺寸小，因此降低了制造成本。可以直接产生侧光图像而无需任何计算。而且，由于在将图案投影到物体12的表面上之前将来自光源的线偏振转换为圆偏振，所以检查装置将能够处理具有固有偏振特性的材料。

除了具体描述的那些以外，本文描述的本发明容易进行改变、修改和/或添加，并且，应当理解，本发明包括落入以上描述的精神和范围内的所有这些改变、修改和/或添加。

Claims (16)

1.一种用于检查物体的表面的装置，其特征在于，包括：

第一光源，用于照射物体而不在物体上产生图案化图像；

第二光源，用于将由来自第二光源的第一偏振光通过光栅产生的图案化图像投影到物体上，第一偏振光是在第一偏振方向上偏振的；

第三光源，用于将由来自第三光源的第二偏振光通过所述光栅产生的图案化图像投影到物体上，第二偏振光是在不同于第一偏振方向的第二偏振方向上偏振的；以及

成像设备，用于当物体分别被第一光源、第二光源和第三光源照射时，拍摄物体表面的图像，以便确定物体表面的轮廓，

其中所述装置配置成使得与由第一偏振光通过所述光栅投影到物体上产生的图案化图像相比，来自第二偏振光通过所述光栅投影到物体上时在所产生的图案化图像中引起偏移。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括偏振分束器，该偏振分束器被配置为使来自第二光源的光线在第一偏振方向上偏振。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，偏振分束器被配置为使来自第三光源的光线在第二偏振方向上偏振。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，偏振分束器包括偏振立方体或棱镜。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括至少一个双折射板，来自第二光源和第三光源的偏振光线通过所述双折射板。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少一个双折射板位于所述至少一个光栅与物体之间。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，双折射板用于在通过它的不同偏振光中产生不同程度的偏移，使得与由第一偏振光通过所述光栅投影到物体上产生的图案化图像相比，来自第二偏振光通过所述光栅投影到物体上时在所产生的图案化图像中引起所述偏移。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，双折射板包括铌酸锂晶体。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一偏振方向横向于第二偏振方向。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，第一偏振光和第二偏振光包括s波或p波。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括位于物体上方的四分之一波片，用于将线性偏振光改变为圆偏振光以被投影到物体上。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，四分之一波片被配置为产生关于第二偏振光的圆偏振光，关于第二偏振光的圆偏振光在与关于第一偏振光的圆偏振光相反的方向上。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括分束器板，所述分束器板被定位成使来自第二光源和第三光源的光线在不同方向上偏振，所述分束器板的第一侧被涂覆以导致来自第二光源和第三光源的光线偏振。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，分束器板的与所述第一侧相对的第二侧被涂覆以反射来自第二光源和第三光源的光线。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，与由第一偏振光通过所述光栅投影到物体上产生的图案化图像相比，分束器板的厚度导致来自第二偏振光通过所述光栅投影到物体上时在所产生的图案化图像中引起所述偏移。

16.一种用于检查物体的表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

用第一光源照射物体而不在物体上产生图案化图像；

将由来自第二光源的第一偏振光通过光栅产生的图案化图像投影到物体上，第一偏振光是在第一偏振方向上偏振的；

将由来自第三光源的第二偏振光通过所述光栅产生的图案化图像投影到物体上，第二偏振方向是在不同于第一偏振方向第二偏振方向上偏振的；以及

当物体分别被第一光源、第二光源和第三光源照射时拍摄物体表面的图像，以便确定物体表面的轮廓，

其中与由第一偏振光通过所述光栅投影到物体上产生的图案化图像相比，来自第二偏振光通过所述光栅投影到物体上时在所产生的图案化图像中引起偏移。

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